[发明专利]一种疏水性气凝胶材料的改性方法

说明书

本发明涉及一种疏水性气凝胶材料的改性方法，属于气凝胶材料的制造领域。一种疏水性气凝胶材料的改性方法，包括以下步骤：（1）将气凝胶材料放置在真空的密闭反应器中；（2）在催化剂存在下通入气态改性试剂，保持一定的温度和时间，对气凝胶材料进行疏水化处理；（3）将气凝胶材料从反应器中取出，干燥后得到疏水性气凝胶材料。

技术领域

本发明涉及一种疏水性气凝胶材料的改性方法，属于气凝胶材料的制造领域。

背景技术

气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的特殊材料，具有低密度和低导热系数等优点，目前作为优良的轻质保温隔热材料受到学术界和工业界的高度关注；其中比较常见的二氧化硅气凝胶及其纤维增强复合材料已经在国内外实现了规模生产。在实际使用中，气凝胶作为多孔材料，其在空气中吸收和吸附的水分对热导率有较为负面的影响，因此具有良好的疏水性对于气凝胶材料至关重要，以保证它能够在长期的使用和储存中稳定地保持优异的保温隔热性能。也因此，在气凝胶材料的生产制备中，对亲水或疏水性较差的气凝胶实施疏水化处理是极为重要的步骤。

在已知的技术中，疏水化处理包括在气凝胶干燥前改性和干燥后改性。前者主要是疏水化试剂加入前驱体共凝胶或者将湿凝胶浸泡在含有疏水化试剂的有机溶剂中，从而使凝胶表面获得疏水化基团。这类方法能提供疏水性良好的气凝胶材料，但是也有一些缺点：一方面，在与气凝胶表面的羟基反应前，疏水化试剂与气凝胶表面的水、醇类优先反应，降低了改性剂的利用率；另外，由于大量使用有机溶剂，在大规模生产中安全性堪忧；同时一系列的副反应污染限制了溶剂的回收再利用，大量的废液处理在日趋严重的环保压力下也成为生产中的不利因素。除了上文中提到的两类前改性方法外，在专利CN1241952A中，提出了在催化剂存在下用硅氧烷蒸汽熏蒸水凝胶以获得疏水性气凝胶；但是为了保持凝胶的多孔结构不坍缩，其含水量要求在50％以上，改性温度必须严格控制在100℃以下，类似上文提到的情况，疏水化试剂优先与水反应，影响了改性剂的利用率。

在气凝胶干燥后改性的技术中，美国专利US6005012首先提出了用含有卤素的硅烷气体对气凝胶做疏水化处理，在中国专利CN103523790 A(失效)也提出用氯乙酸甲酯做气凝胶的疏水化试剂。含有卤素的化合物虽然有较高的反应活性，但是改性后气凝胶内残余的卤素会严重限制它的使用范围；这种保温材料如果作为包覆物，会持续腐蚀所包覆的金属管道，危害其使用寿命。在中国专利CN1317188C(失效)和CN109607551A中均提出了基于硅氧烷和硅氮烷的气态疏水改性工艺，但是前者使用的温度较低(小于40℃)，在实际生产中易出现气态改性剂的冷凝和再挥发，对气凝胶的结构有一定的破坏，后者的改性时间较长(大于6小时)，在工业生产中能耗较大。中国专利CN104787772A报导了利用三甲基硅醇，六甲基二硅氮烷，三甲基氯硅烷作为气态疏水改性剂的工艺，改性温度和时间的设置对工艺生产较为有利，所获得的气凝胶也有很好的疏水性；但是近期三甲基硅醇和六甲基二硅氮烷的价格高(超过六万/吨)，使得改性工艺的成本提高；出于整体生产成本控制的考虑，必须寻找新的代替工艺以避免改性剂价格波动带来的不利因素。此外，这类改性剂由于含碳量较高，在取得良好疏水性的同时往往会降低气凝胶的燃烧性能。为了解决气凝胶材料现行的疏水改性剂利用率低、成本高、改性工艺效率低和污染较重的问题，本发明希望提供一种疏水性气凝胶材料的改性方法。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种疏水性气凝胶材料的改性方法，其具体技术方案如下。

一种疏水性气凝胶材料的改性方法，包括以下步骤：

步骤1：将气凝胶材料放置在真空的密闭反应器中；所述气凝胶材料是亲水的氧化物气凝胶、疏水性差的氧化物气凝胶或含有所述氧化物气凝胶的纤维增强复合材料；

步骤2：在催化剂存在下，向密闭反应器中通入气态改性试剂，保持一定的温度和时间，对气凝胶材料进行疏水化处理；所述催化剂为气态酸、气态碱、能够产生气态酸的物质或者能够产生气态碱的物质；所述气态改性试剂选自成分A和成分B，所述成分A和成分B均能与气凝胶材料表面的羟基发生反应并形成疏水表面；